高压工频下金属护套雷电冲击电压的仿真研究

作者： 国自电气 时间：2024-07-30 09:26:53 阅读：14

    随着城市输配电线路的发展,高压单芯电缆因其优异的性能得到了广泛应用。但与三芯电缆不同,高压单芯电缆在遭受过电压波入侵时,其金属护套因电磁感应会生成很高的冲击电压,一旦外护套被击穿导致多点接地,在运行中会形成较大的环流损耗,其载流量和运行寿命将大大降低。目前，主要通过合理设置接地方式和护套电压保护器来限制高压单芯电缆运行中出现的金属护套冲击电压。为了寻求限制金属护套冲击电压的因素和方法,国内外学者对金属护套冲击电压进行了相关研究。

    电缆在投切过程中,由操作过电压引起的高压单芯电缆金属护套冲击电压已有较多研究。相关文献研究表明断路器开合闸导致电缆中间接头金属护套操作冲击电压内有超过40kHz高频分量,将不利于电缆绝缘。相关文献表明电缆接头护套两端的冲击电压相位相反,护套两端承受更高的冲击电压可能会击穿单个接头护层两侧绝缘,并产生高温破坏。相关文献研究中提出电缆交叉互联长度以及与断路器之间的距离是影响金属护套操作冲击电压的主要因素。

    目前，由外部过电压产生的高压单芯电缆金属护套雷电冲击电压有以下研究。相关文献的研究表明220kV高压单芯电缆不接地点的金属护套雷电冲击电压远超外护套雷电冲击耐受电压47.5 kV,需要用电压保护器加以限制。相关文献在仿真和试验后提出,雷电波可直接侵入的电缆线路需要在金属护套上合理配置电压保护器。相关文献提出由雷电绕击架空线产生的侵入波或雷电击中电缆接地极附近均会导致金属护套雷电冲击电压。相关文献的仿真表明雷电绕击线路与雷击杆塔均会使电缆金属护套对地电压升高。相关文献分析了影响高压单芯电缆金属护套雷电冲击电压幅值的因素得出该幅值受电缆长度及负荷的影响程度较大。

    然而,相关文献提出工频电压会对单芯电缆的缆芯暂态过电压特性产生影响。相关文献研究表明缆芯电压暂态特性会随雷电波形而变化。因为金属护套冲击电压是通过缆芯电流电磁感应而来，所以缆芯电压的暂态特性变化会引起金属护套冲击电压的暂态特性改变,实际中雷电入侵电缆的工频相位具有随机性,雷电流波形参数也具有不确定性。

    所以上述对单芯电缆金属护套雷电冲击电压的研究中,只考虑了雷电冲击电压的单一作用，尚未考虑电缆的工频运行并结合雷电流参数改变对金属护套雷电冲击电压的影响。因此在研究金属护套雷电冲击电压时,考虑工频运行的条件以及雷电流波形参数的变化更加全面且符合实际情景。

    本研究在 PSCAD中搭建220kV架空线–电缆线路模型,仿真雷电绕击架空线导线入侵电缆引起的金属护套雷电冲击电压，在工频运行条件下,通过改变电缆长度、敷设方式、交叉互联分段长度等电缆参数以及改变雷电流波形、入侵相位等雷电流参数,研究金属护套雷电冲击电压的幅值变化,可为220kV电缆外部过电压防护及保护器的配置提供参考。

    本研究通过PSCAD仿真工频运行高压单芯电缆的金属护套雷电冲击电压幅值,并对其影响因素进行研究,得出以下结论:

1)电缆采用首端接地方式相比于采用末端接地方式和交叉互联接地方式能明显降低不接地端的金属护套雷电冲击电压,优先采用首端接地方式可降低外部过电压防护成本;采用交叉互联接地方式时,由于金属护套在交叉点处发生了交叉换位，导致金属护套雷电冲击电压幅值最大相会在第二个互联点处由侵入相变为非侵入相。

2)通过改变电缆参数如减小电缆长度、提高交叉互联接地电缆的分段均匀度以及采用品字型或紧凑型排列等方法对金属护套雷电冲击电压的降低作用并不明显。

3)金属护套雷电冲击电压幅值与雷电流陡度和雷电持续时间成正相关。相同的雷电流在入侵工频电压波谷时比入侵波峰时的金属护套雷电冲击电压幅值降低了约80% ,若能利用该特性,也许会给电缆外部过电压的防护提供新的思路。